Cellulosa – starkare än det mesta

Wednesday, September 5, 2012 (trä), 8 comments

Träkajakbyggare har länge vetat att trä är ett oöverträffat armeringsmaterial – starkare, lättare och billigare än stål, aluminium, glasfiber, kolfiber, kevlar, keramer mm. Nu har ett forskningsprojekt i USA (The Forest Products Laboratory of the US Forest Service) börjat titta på kommersiell användning av ett material som kallas CNC (cellulose nanocrystals), och som har visat sig starkare, billigare och lättare än det mesta (det enda kända materialet som kan matcha styrkan är carbon nanotubules, som kostar 100 gånger mer att tillverka). 

Det är förstås inte träet som sådant som används, men väl cellulosa som förädlas i en avancerad process. Den börjar med att träflisor omvandlas till pappersmassa och rensas från lignin (som är bindemedlet i trävirket). Därefter delas cellulosafibrerna till extremt små nanofibriller, undefär en tusendel så stora som de ursprungliga fibrerna. Fibrillerna ordnar sig i lager av linjära molekyler, som hålls ihop av vätebindningar. Med hjälp av en stark syra reduceras volymen till en kompakt kristallinsk struktur.

Egenskaperna är smått svindlande. CNC har en elasticitetsmodul på 150 GPa och en brottgräns på 7,5 GPa! Som jämförelse har Kevlar och Kolfiber brottgränser på ca 3,5 GPa och elasticitetsmoduler på respektive 125 och 150 GPa. Rostfritt stål hamnar på ungefär 200 i elasticitetsmodeul men bara 0,5 i brottgräns. Och ek hamnar i skamvrån, trots anseende som ett starkt båtbyggerivirke: 10 GPa i elsticitet och 0,1 GPa i styrka ;-) CNC är dessutom transparent och kan användas till ballistiskt glas – gissa om militären är intresserad!

CNC är naturligtvis inte perfekt – det tål inte vatten – så det dröjer kanske ett tag innan vi padlar omkring i en 4 kg tung och superstark cellulosananokristallkajak! Vätebindningarna håller visserligen ihop strukturen, men cellulosafibrerna kan destabiliseras vid kontakt med vatten och börja suga upp vattnet. Detta kan lösas på flera sätt: att kemiskt modifiera cellulosafibern så att den blir hydrofob (repellerar vatten), att använda CNC iförening med ett hydrofobt material eller att kapsla in det vattentätt (som trä i en kajak) – eller att helt enkelt använda det i vattenfria miljöer.

Med tanke på potentialen – ett relativt billigt, superstarkt material, tillverkat av en vanlig resurs som är nästan gratis (träflis och sågspån) – kan man räkna med att forskningen löser sådana problem.

Läs mer: www.gizmag.com/cellulose-nanocrystals-stronger-carbon-fiber-kevlar/23959/